DE2842026A1 - Infiltrierte formgegenstaende von sphaerischen nichttemperaturfesten metallpulvern - Google Patents

Description

Infiltrierte Formgegenstände aus sphärischen nichttemperaturf es ten i-iet allpulvern

' Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung infiltrierter ("infiltrated") geformter Ketaligegenstände aus I·. et allpulvern und die so hergestellten G-egenstände. In einem weiteren Aspekt Detrifft sie ein Verfahren zur Herstellung infiltrierter pormgegenstände unter Verwendung von i-.etfllpulvern und-einein Binder aus einem thermoplastischen Katerial. In einem weiteren Aspekt betrifft--.-siLe ein pulverffietallurgisches Verfahren zur Herstellung von Formen bzw. Gesenken und die so hergestellten Gegenstände. In einem weiteren Aspekt betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung von Zahnersatz und die so hergestellten Gegenstände.

Auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie stellt die US-PS 3*823-oc2 3inen wesentlichen Portschritt dar. Diese Patentschrift offenbart die Herstellung von hochtemperaturfesten Formgegenständen aus einer Kunststoffmischung aus temperaturfesten

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Körnern "and einem flüchtigen tiiernioplastischen organischen Bindemitxel; diese Lischung wird zu einem Kohling geformt, den man erwärmt, tun den Binder auszutreiben, so daß ein poröses Gerüst ohne wahrnehmbare Halsbildung zwischen de-n im Gerüst vorliegenden größten aneinandergrenzenaen -Teilchen entsteht. Letzteres wird dann mit einem schmelzflüssigen Auf füll- bsv/. Infiltrierini ttel ("infil tränt") aus einem ^ zweiten i-Ietall aufgefüllt, dessen Schmelzpunkt niedriger als der halbe Schmelzpunkt des teinperaturfesten Pulvers ist."

Die vorlieger.de jjrfinäujjg umfaßt in eineJi Aspekt das'Ausbilden einer plastischen l'asse bis -.ischung aus spärischen nicht xe^peraxurfesxeri l-Iexallpulver und eineiü wärmeflüchtigen 3indeluitxel aus therffioplasXischeiTu I-Iaxerial zur Bildung eines £oh-Abgusses eines l-Iusxergegenstands, das Erwärmen des geformten Kohlings," urü das Bindemittel auszutreiben bzw¹?"zu entfernen und die nichttemperatur!esten teilchen leicht zu einem porösen nichtxemperaturfesten monolithischen Gerüst bzw. Skelett mix Halsbildung zwischen nebeneinanderliegenden Teilchen zu sintern, und das Infiltrieren bzw. Ausfüllen des Gerüstes mit einer Schmelze eines Metalls, dessen Schmelzpunkt mindestens 25⁰Il niedriger ist als der niedrigste Schmelzpunkt ; iss ni3iri_fcstsciLi.iclsende-ix der 'Ziichtteiüperaturf es'cen rletallpulvers. '^

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Der resultierende geformte monolithische Metallgegenstand .· nach der vorliegenden Erfindung ist ein homogener infiltrier- " ter Gegenstand, der zum größten Seil aus einer" ersten konti- J-''

nuierlichen Phase aus sphärischen nichtteinperaturfesten '- f Ketallteilchen, die an den aneinandergrenzenden Berührungs- \ punkten in 3?οΐϊα eines Skeletts miteinander verbundener Tröpfchen mit wahrnehmbarer Kaisbildung unter dem Lichtmikroskop . metallurgisch einheitlich sind, und aus einer zweiten kontinuierlichen Phase aus einem Ketall besteht, dessen Schmelz-, punkt mindestens 25 E niedriger der niedrigste Schmelzpunkt der sphärischen nichxtemperaturfesteii !Teilchen ist und das das iiiohx von de:.. C-erüst aus sphärischen Teilchen belegten To !unten des Artisls einnimmt, so daß der Artikel auf diese Weise zwei ineinander verteilte Bettmaterialien ("matrices") aufweist und im wesentlichen hohlraumfrei ist.

Sofern aus dem Zusammenhang sich nichts Anderes ergibt, soll der Ausdruck "homogen", wie er hier verwendet ist, bedeuten, daio, wenn man einen repräsentativen Schnitt entweder aus dem Inneren oder vom Umfang des geformten infiltrierten Gegenstands unter dem Lichtmikroskop mit einer Verstärkung untersucht, bei der die beiden phasen unterscheidbar sind (bspw. 15oX), in einem _aegeDenen Bereich keine wesentliche Abweichung in der Anzahl der sphärischen nichtteraperaturf esten Teilchen auftritt, daß das Auffüllmaterial gleichmäßig um die nicht-

teiäperaturfesten sphärischen Teilchen herum und zwischen ihnen verteilt ist und daß keine eindeutige Achse oder Verdichtung, der sphärischen Teilchen in einem beliebigen Teil des Gegenstandes (insbesondere im Umfangsbereicn, d.h. dem an die Oberfläche des Gegenstandes angrenzenden Bereich) vorliegt, wie sie bspw. die Verwendung von Druck zur Herstellung von Kohärenz zu den nichtteaiperaturfesten sphärischen I-letallteilchen anzeigt. Diese homogenen Gegenstände .sind im wesentlichen frei von inneren und äußeren Oberflächendefekten und zeigen daher gleichmäßige physikalische, chemische, elektrische und me organische Eigenschaften. Zusätzlich erteilen die beiden ineiiiaixafcr_creifenden Bettmaterialien zusätzliche wünschenswerte Likenschsfcen - bsp~w. Verschleiß- und Stoßfestigkeit-.

Während der Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung tritt eine gewisse Schrumpfung auf-, und zwar im Einzelfall abhängig von den.gewählten Verfahrensparametern. insbesondere abhängig vom Material zur Herstellung deB Abgusses der Vorlage und der Temperatur, bei der das leichte Sintern sts/fctfindet. Kachdem man das Ausmaß der Schrumpfung für einen gegeoenen Satz Verfahrensparameter festgestellt hat, läßt sie sich kompensieren - bspw. indem inan die Vorlage mit Übermaß herstellt. Bei kompensierter Schrumpfung lassen sich Präzisionstoleranzen (prozentuale Abweichung des fertigen infiltrierten Artikels von den Sollabmessungen) von besser als

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etwa + o,2 % - bspw. + o,1 % - erreichen.

Die Homogenität und die Präzisionstolerenzen der nichttemperaturfesten Metallartikel nach der vorliegenden Erfindung bedeuten, daß diese Gegenstände besonders gut geeignet sind für Anwendungen, bei denen Abmessungen sehr genau eingehalten werden müssen - bspw. Gegenstände in komplizierter Gestalt, mit unregelmäßigen Oberflächen mit sehr feinen Details wie bspw» Zahnprothesen und Druck- bzw. Spritaguwformen.

Die ?ig. 1 ist ein Fluiä diagramm der Herstellung eines ϊόγ^- gegenstandea nach der vorliegenden Erfindung; Fig.. 2. iat eine mit. eine?.* Zeichenfeder.hergestellte. Skizze einer Photomikrographie eines infiltrierten nichttemperatur-. festen Skeletts eines Formgegenstandes nach der vorliegenden Erfindung.. . " .

In der Durchführung der vorliegenden Erfindung dient ein Metallpulver.- aus sphärischen Teilchen eines nichttemperaturfesten Metalls zur ..Herstellung eines monolithischen Skeletts bzw. Grundkörpers aus demselben. Der Ausdruck "nichttemperaturfest", wie er hier benutzt wird, ,soll i-ietalle mit Schmelztemperaturen im Bereich von etwa 1ooo G bis 13oo°C (1273⁰E bis 2o73°K) bezeichnen. Der Ausdruck "sphärisch", wie er hier benutzt ist, soll im wesentlichen kugelige Formen - bspw. auch

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sphäroide, abgeflachte lind gestreckte - bezeichnen. Unwesentliche Abweichungen von der Kugeligkeit beeinträchtigen die Verwendung von Pulvern in der vorliegenden Erfindung nicht. Repräsentative, zum Einsatz in der vorliegenden Erfinduno' geeignete. Metalle sind u.a. Eisen, Cobalt, JSickel und deren Legierungen.· Typische Legierungselemente für derartige Legierungen sind Chrom, Molybdän, Wolfram, Kohlenstoff, SiXizium und Bor sowie deren Kombinationen. Sofern nicht anders angegeben, soll der Ausdruck- ¹¹I-Ietall" sowohl elementares Metall als auch Legierungen bezeicimen. Die Herstellung sphärischer Me.tallteilchen, die für die Durchführung cer vorliegenden Erfindung "brauchbar sind, ist ospw. in den US-P3 3.983.524, 5»258..817 und 3.04-1.672 beschrieben. Handelsübliche nicht.temperaturfeste sphärische leuchen oder Pulver, die sich..für die vorliegende Erfindung einsetzen lassen, sind die unter der Bezeichnung "Steinte" vertriebenen Legierungen ür. 1, 21 und 157 von der Pa. Cabot Corp., die tuiter der Bezeichnung "Vertx" vertriebene Legierung Co-6 der Fa. Special LIetails und-nichtrostender Stahl des Typs 41 ο des American Iron and Steel Institute* Diese handelsüblichen Pulver zeigen im allgemeinen eine monomodale Größenverteilungskurve und bestehen aus einer Mischung von Fraktionen kleinerer und größerer '.neilchen. Wegen ihrer Verfügbarkeit sind diese monomodalen Pulver für die Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt und die Eigenschaften der Formgegenstände nach der vorliegend-en

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Erfindung lassen sich ohne den Einsatz multimodaler Pulver erreichen. Auch Mischungen aus diesen handelsüblichen Pulvern kann man zur Durchführung der vorliegenden Erfindung einsetzen. Die Teilchengröße des für die vorliegende Erfindung brauchbaren sphärischen Metallpulvers liegt breit verteilt zwischen etwa 1 und 2oo /um, wobei ein- leilchendurchmesser von weniger als 44 /um (-325 mesh der TJS-Sieve-Reihe) für optimale Oberflächengüte bevorzugt ist. Handelsübliche sphärische Metallteilchen können kleine Anteile von Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Kikrometer enthalten; derartig kleine Jeilciien uesiircraciitigsrL die li-rxi-adun nicht, sofern der Anteil derselben nicht ausreicht, ua'eine Berührung zwischen den vorliegenden größeren !Teilchen zu verhindern und daher eine wirkungsvolle Packdichte zu stören. Die berechnete Oberflächengröße sphärischer leuchen innerhalb des für die Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugten Größenbereichs liegt zwischen etwa 1,3x1 ο üiVg und 14» 2x1 ο m /g.

Die gewünschte..Oberflächengeometrie des infiltrierten .2¹ gegenstandes ist ein wesentlicher Faktor bei der 3estiinBun₆ der !eilchengröße und -verteilung der zur Herstellung der Teilchen einzusetzenden sphärischen feilchen. 7,"enn sehr feine Einzelheiten oder eine sehr glatte Oberfläche gefordert sind, weist die gewählte -leilcliengröisenverteilung einen großen

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Anteil kleindurchmessriger leuchen auf; wenn umgekehrt die ' Oberflächenfeinheiten unwichtig sind oder die Oberfläche rauh sein soll, kann man eine Verteilung mit größerem Anteil an : großdurchmessrigen sphärischen Teilchen verwenden.

_; Die Verwendung sphärischer Hetallteilchen führt zu einer Anzahl wesentlicher Vorteile gegenüber unregelmäßig geformten Ketallteilchen. Unregelmäßig geformte Körnchen führen wegen der Möglichkeit von Mehrfachkontakten zwiscnen zwei '!Teilchen :leicht

! zu mechanischen 3rüeken("bridges") zwischen den feilen, die

die Strömungseigenschaften verschlechtern. Demgegenüber kann zwischen zwei beliebigen sphärischen Seilchen nur eine einzige Kontaktstelle auftreten und daher ist zwischen ihnen keine Brückenbildung möglich. Die unregelmäßig geformten Teilchen fließen dann nicht so leicht und passen sich auch den feinsten Einzelheiten der Form nicht so gut an wie sphärische Teilchen auch dann nicht, wenn man sie schüttelt. Höhere Füllgrade sind dann möglich, d.h. höhere Anteile der Teilchenmassen lassen sich dann in ein aufgeweichtes organisches Bindemittel aufnehmen. Sphärische Teilchen lassen sich besser als unregelmäßig geformte Teilchen dicht zusammenpacken, so asu weniger Bindemittel für eine gegebene Teilchenmasse erforderlich ist. Das dichtere Zusammenpacken führt auch zu l-ietallskeletts mit gleichmäßigerer Porosität vor dem Auffüllen. Der Ausdruck "Porosität" soll dabei die Zwischenräume und -kanäle zwischen

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den leicht gesinterten sphärischen l-±e tall teilchen bezeichnen, aus denen das Skelett (bspw. die erste kontinuierliche Phase) sich zusammensetzt.

Das Volumen des infiltrierten Artikels, das von dem Skelett aus sphärischen Metallteilchen eingenommen werden soll, bestimmt ebenfalls die !Teilchengröße und die Größenverteilung der gewählten leuchen. Der infiltrierte Artikel enthält ;als größeren Teil leicht gesinterte sphärische Hetallteilchen, und zwar zu mindestens 60 YoI.-;ό (und vorzugsweise mindestens 65 VqI.-^) und nicht mehr als etwa 00 YoI.->o' sphärische Metallteilchen. Der Volumenanteil, den die sphärischen Hetallteilchen einnehmen, hängt von dem Füllgrad des organischen Bindemittels ab. Änderungen der Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung zur Einstellung des Füllgrads sind aus dem Stand der- Technik bekannt - vergl. bspw. R.K. HcGeary, J. AnuCeranuSoc. 44* 513-22 (1961).

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignete organische Bindemittel sind solche, die bei niedrigen Temperaturen bspw. weniger als 18o°C und vorzugsweise weniger als 1 2o C schmelzen oder weichwerden, so daß die kischung aus l-ietallpulver und organischem Binder im warmen Zustand gute Fließeigenschaften erhält und dennoch bei Rauur&ernperatur fest ist,

so daß der aus ihr hergestellte Rohling sich normalerweise
leicht handhaben läßt, ohne zusammenzufallen oder sich zu verformen. Die für die vorliegende Erfindung verwendeten Bindemittel sind wärmeflüchtig, d.h. sie brennen aus oder verflüchtigen sich, wenn man'den Rohling erwärmt, ohne daß infolge des Verdasapfungsvorgangs ein Innendruck auf den resultierenden nichttemperaturfesten Skelettkörper ausgeübt wird oder auf
diesem nach dem Erwärmen wesentliche Binderrückstände verbleiben

Organische thermoplastische Stoffe oder Mischungen organischer Thermoplaste mit organischen wärmehärtenden Stoffen werden uili nichttemperaturfesten Metallpulvern zu einer formbaren pastenartigen plastischen Masse vermischt. Beispiele thermoplastischer

Bindemittel sind Paraffin (bspw. »Gulf Wax", ein raffiniertes
Paraffin in Haushältsqualität), eine Kombination von Paraffin
mit einem niedermolekularen Polyäthylen, Mischungen mit Olein- oder Stearinsäure oder niederen Älkylesteirn derselben (bspw,
»Emerest 2642", Polyäthylenglycoldistearat, mittleres I-iole-

kulargewicht 4oo) sowie andere wachsige und paraffinische

Substanzen mit den Erweichungs- und Fließeigenschaften des
Paraffins.

Repräsentative wärmehärtende Materialien, die in Soiabination
mit thermoplastischen Stoffen als Bindemittel einsetzbar sind, sind bspw. Epoxidharze (bspw. Diglycidyläther von Bisphenol A

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wie 2,2-Bis 2,3-epoxypropoxy)phenyl -propan),, die mit geeigneten Härtemitteln eingesetzt werden können. Dabei ist.' . · darauf zu achten, daß bei Verwendung von Mischungen aus .thermo·* plastischen mit wärmehärtenden.Substanzen als Bindemittel beim i-iisehen und formen keine Y/ärmevernetzung einge'leitet wird. .· Ivachdem man die erweichte I-iischung aus thermoplastischem mit warmehärtenden Stoff in die angewärmte Porm eingebracht und geschüttelt hat, kann man das Härten"durch Veiterwärmen der ?oriii einleiten. Mischungen aus einem thermoplastischen' Stofi -· :Λτ einem wäraxehärxenden Bindemittel führen leicht zu. einem rtohling, der eine bessere" Rohfestigkeit aufweist und damit-·, besser laanaliaooar ist. cJls j.üjüiiige ii.it nur einem thermopläsxischen Stoff als ijindeiüitxel.

Das sphärische lüexallpulver una das organische Bindemittel werden vorzugsweise in einer erwärmten Mischvorrichtung- (bspw. ' einem Sigma-Klingenmiscner)vermischt, deren Temperatur ausr. reichend hoch ist, um das organische Bindemittel zu erwärmen und damit ein homogenes Durchmischen.des Pulvers und des Bindemittels zu erlauben. Die im Einzelfall eingesetzte Bindemittelmenge hängt von der Teilchengröße und -der Teilchengrößenverteilung der eingesetzten sphärischen I'Ietallteilchen ab. Eine ausreichende Bindemittelinenge - bspw. 2 bis To* JJew. -Teile auf 1oo i'eile Metallpulver - sollte verwendet werden, daß die sphärischen Teilchen in die. porm einfließen und sie optimal

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füllen "ana so die Schwankungen der !lassen- und der Oberflächenaichte im formling eliminiert sind. Die ;£alver-Binder-, Lischuiig kann au einer plastischen Hasse erwärmt und unmittel·- bar in eine flexible Forin gefüllt werden.

Alternativ kann man die warme !■■letallpulver-Bindemitteliiisehung kühlen und den resultierenden Peststoff zu einem ■ ■ körnigen freiflieBenden Zustand, dem "Pillenstaub" (*pill dust') ihahlen, dann später erwärmen und in die Form gießen.

Um eine Form nerzustellen, in der der Pillensxaub bzw. die ",::_r-,-e plastische Lasse zu einer gewünschten G-estalt geformt werden kann, sxellt man von einem.l-xastergegenstand einen Abguß her.

Dc.zvl gieiit oiian auf das Icust er stück* in einem geeigneten Behälter ein .Abgußmaterial , härtet es und entfernt das "Küster-!' stück, so daiB man eine Form erhält, die entsprechend der vorliegenden Erfindung im wesentlichen identische Kopien der· 'vorlage herzustellen gestattet, und zwar einschließlich' aller' feinen Sinzelheiten und Querschnitte.

Die bei der Ihirchführung der vorliegenden Erfindung erzeugten l.exallgegenstände können eine ArDeitsoberfläcfre, d,h. einen¹; '. ArDeixsteil, der in 3erührung mit einem zu bearbeitenden· ..aterial xrixt und es verformt, sowie einen Stützteil aufweisen

der die Arbeitsflache in der gewünschten Lage hält, um die gewünschte "Verformung zu erzeugen. Bspw. .kann man einen nach. der vorliegenden Erfindung hergestellten Dorn erzeugen, um in einem spritzgeformten Kunststoffteil -ein Loch herzustellen. .".Die Arbeitsfläche· eines solchen D_orns ist dabei derjenige Teil, der in.Berührung mit dem zu formenden plastischen Material tritt, während der Stütateil den Dorn in der erforderlichen Lage hält, in der er das gewünschte Loch erzeugt.

Bei dem bevorzugten Husterstück verlaufen die Arbeitsfläche und der Stützteil von eiiier Grundfläche ab. Die Grundfläche kann dabei-der Rest des Materials sein,,aus dem die Arbeitsfläche -und der Stützteil gefertigt wurden, oder die Arbeitsfläche und der Stützteil können nach der Produktion auf einer

separaten Grundfläche angeordnet werden. Ein Abguß des Kuster-. Stücks wird hergestellt, indem man dieses in einen geeigneten Behälter einsetzt, das Abgußmaterial um das Kasterstück giei3t .und das Abgußmaterial dann härtet. Wird das bevorzugte Musterstück verwendet _r erhält man im späteren Ansinterschrxtt ein einteiliges poröses Ketallskelett miτ einer Arbeitsfläche und dem Stützteil auf einer Grundfläche. Dies ist erwünscht, denn das so hergestellte Metallskelett läßt sich auffüllen, indem man das Auffüllmaterial durch die Grundfläche schickt, bevor es in den Stützteil eindringt und zur Arbeitsfläche gelangt. Auf diese Weise reichert das Auffüllmetall sich mit

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dem !-Ietall der Arbeitsfläche und des Stützteils an, bevor es den Skelettkörper unter der Arbeitsfläche und dem Stützteil füllt. Dieses Anreichern des Auffüllmetalls reduziert die Abmessungsänderung, die auftreten, wenn man den Skelettkörper* mit nicht angereicherten Auffüllmetall auffüllt und das Skelettmetall sich in diesem nicht angereicherten Auffüllmetall wesentlich löst, liach dem Auffüllen kann man dann die Grundfläche vollständig entfernen oder auf eine gewünschte . . Gestalt abarbeiten, so daß sie als Stützteil"für die Arbeitsfläche dient. Im letzteren Pail dient sie als sowohl Stütz-" teil als auch als Grundfläche, so daß die Arbeitsfläche uniiiit"celbar auf die Grundfläche aufgebracht werden kann. - .

Die jTormwerkstoffe, die sich zur Durchführung der vorliegenden Erfindung einsetzen lassen, sind die, die man zu einer ■ *-. '*.. c■' elastischen oder biegsamen gummiartigen Porm härten kann;, * >■ sie haben im allgemeinen eine Shore-A-Durometernärte von etwa 25 bis 6o und geben die feinen Einzelheiten des Musterstücks ohne wesentliche Abmessungsänderungen wieder - bspw. mit nicht mehr als 1 yö linearer Abweichung von der Vorlage, Die Abguß-materialien sollten beim Erwärmen auf die Abgußtemperaturen, bspw. 1βο°ο nicht beschädigt werden und eine niedrige Härte-' temperatur aufweisen - öspw. die Kaumtemperatur* Ein bei niedriger Temperatur aushärtendes Abgußmaterial bildet einen Abguß, der eine genaue Übereinstimmung der Abmessungen zwischen

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Vorlage und Abguß gewährleistet» Sin bei .hohen Temperaturen härtendes Abgußmaterial führt im allgemeinen zu einem Abguß, dessen Abmessungen sich von denen des Küsterstiicks wesentlich unterscheiden. Um die Abmessungen unter Kontrolle zu halten, sollte das Abgußmaterial vorzugsweise nur wenig feuchtigkeitsempfindlich sein* Beispiele geeigneter Abgußstoffe sind hart— •.bare Silicongummis wie die im Bulletin RiV o3-347 der Pa. . ' "Dow Corning Co* von Januar 1969 beschriebenen sowie schwach—,

exotherme Urethanharze. Derartige Abgußmaterialien härten zu einer elastischen oder gummiartigen Form bei geringer Schrumpfung nach dem Härten aus.

Die Abgußmaterialmenge, die man zum Hersteilen des Abgusses des Musterstücks anwendet, hängt von dem im Einzelfall eingesetzten Abgußmaterial und der Gestalt der Vorlage ab. Ss hat sich herausgestellt, daß ca, 1o - 14 cm Abgußmaterial pro Kubikcentimeter des Husterstücks einen Abguß ergeben, der die gewünschten Elastizität beibehält und auch ausreichend fest ist, um den geringen hydrostatischen Druck auszuhalten, den die plastische Pulver-Bindemittel-Ilasse in der Farm erzeugt, bevor das Bindemittel verfestigt. .

"Die im folgenden erläuterten iTormungs Bedingungen zur Herstellung der Gegenstände nach der vorliegenden Srfindung erlauben die Verwendung einer billigen weichen elastischen oder

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gummiartigen Form, da der einzige auftretende Druck der hydrostatische Druck der plastischen Pulver-Bindemi ttel-I-Jischung in der Form ist; dieser Druck ist sehr niedrig und verursacht nur vernachlässigbare Verformungen. Die unkritischen Formungs-Wdingungen tragen also zur sicheren Ausbildung eines präzise geformten Rohlings bei, obgleich man eine stark verformbare Form verwendet. Zusätzlich ergibt das Formungsverfahren infolge der vorteilhaften Fließeigenschaften des sphärischen Pulvers einen geformten Rohling-gleichmäßiger Dichte.

Die Pulver-Binder-Kischung bzw. der Pillenstaub laut sich, wenn auf 1o bis 2o G oder mehr über den Erweichungspunkt der Binderkomponente erwäcmt, in die gerüttelte elastische Form geben, die man auf etwa die gleiche Temperatur wie die Pulver-Binder-Mischung vorgewärmt hat; dann kann man die Form und ihren Inhalt evakuieren.. Indem man eine entsprechende Größenverteilung der sphärischen nichttemperaturfesten Seilchen sowie ein geeignetes .organisches Bindemittel wählt, erreicht man'eine solche Konsistenz der Pulver-Binder-Kischung, daß, wenn diese im Unterdruck über den Schmelzpunkt des Bindemittels erwärmt wird, die Mischung unter nur schwachem HütteIn geformt werden kann, um zu gewährleisten, daß Luftlöcher ouer Gasbläschen entfernt werden.

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Nachdem man die gewärmte evakuierte Form gefüllt hat, halt man die'Form ohne Rütteln so lange (bspw. etwa 1 bis 24 Βτά.), auf einer konstanten Temperatur von etwa 1o bis J>o C üDer de^ Erweichungspunkt des Bindemittels, daiü ein vollständiges Ausfüllen der Form gewährleistet ist. Vor dem- Abkühlen rüttelt man die Form und ihren Inhalt kurzfristig.

Kühlen der Form und ihres Inhalts auf Raumtemperatur verfestigt" sich das organische Bindemittel und "ei-ldet den geformten Rohling.

Schmilzt der Binder ziemlich niedrig, d.h. bei 35 - 4o°0, anx£> die Form mit dem Inhalt auf einen Punkt - bspw. bis ο - 5°Q -gekühlt werden, wo das Bindemittel ziemlich starr wird vorzugsweise in einem Trockner, um die Kondensation von Feuch-■tigkeit geringzuhalten. Der feste Rohling läßt sich einfach aus der elastischen" Form entfernen, indem man Unterdruck auf ihr Äußeres aufbringt. Auf diese V/'eise lassen sich aucn ilonlinge mit Unterschneidungen leicht aus der Form entfernen..Der resultierende Rohling ist ein getreues Abbild des IjusterStücks und weist infolge des gehärteten G-rundiiiaterials aus organischem ■Bindemittel, das die nichttemperaturfesten sphärischen lietall-■teilchen trägt, eine gute Rohfestigkeit auf. Das nichttemperaturfeste Pulver ist homogen in dem organischen Binde-Grund-

material dispergiert, so daß sich., die Bildung eines Rohlings mit gleichmäßiger Dichte (infolge der gleichmäßigen Verteilung des Pulvers im Binder) und eines Skeletts erleichtert, das nach dem Entfernen des Bindemittels eine entsprechende gleich-

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mäßige' Porosität aufweist.

Die gleichmäßige Dichte des geformten Rohlings ist wichtig für das nachfolgende Brennen und Auffüllen. Eine gleichmäßige Dichte'hält Verzerrungen gering bzw. verhindert sie, wenn der geformte Rohling erwärmt und aufgefüllt wird. Weixerhin verhinderx eine gleichmäßige Dichte die Ausbildung lokalisierter Ansammlungen des Au-fülliüaxerials., die de^ fertigen nichtfeuerfesten Gegenstand instabile und ungLeichmä^ige elektrische oder physikalische Eigenschaften erteilen würden.

Um das Grundskelett auszubilden, wird der geformte Rohling "vorzugsweise-in ein schwach, gerütteltes Bett aus nicht reagierendem feuerfestem Pulver - bspw. Aluminium - oder Siliziumozid - gepackt, um beim Erwärmen in einem programmierbaren Ofen zu einer Temperatur von etwa 9oo bis 14-oo°C ein Einfallen und Abmessungsverluste zu verhindern. Beim Erwärmen des geformten. Rohlings treibt man das organische Bindemittel aus" und sintert die nichttemperaturfesten ieilchen -leicht zu einem metallurgisch einheitlichen, handhabungsfähigen porösen nichttemperaturfesten monolithischen Gegenstand, dem Skelett, zu-

sammen·. ..Der hier benutzte Ausdruck "metallurgisch einheitlich" soll besagen, daß zwischen aneinandergrenzenden sphärischen .He tall teilchen eine interatomare Diffusion im'Pestzustand stattfindet .und sich daher eine Pestkörperbindung ausbildet. Dieser Erwärmschritt treibt also den 3inder aus und verursacht eine erste Stufe eines Aneinandersinterns der sphärischen Teilchen,; d,h. die Bildung; von Hälsen zwischen den Teilchen, so. daß ein .einheitlicher Körper entsteht. Vorzugsweise verwendet man ein programmiertes Erwänaungsregiiae-dersxt, das Sintern der sphärischen !Teilchen an ihren Berührun minimal bleibt. 3ei:a programmierten "^rwänuen ver^eider :^an das signifikante Schrumpfen, das auf treten würde, weizzi man über die erste Stufe hinaus erwärmt oder sintert, so dc_u das Skelett unerwünscht schrumpft und die Dichte zuni-iiiin;, weil das Zwischenraumvolumen abnimmt und die Hals auswischen den Teilchen stärker werden. Kit programmierTeiii Erwärruur-asre_ö-ixae vermeidet man weiterhin interne und externe-Risse, die eine rasche Gasentwicklung verursachen würde, wenn man die Rohling .zu schnell auf die Ansinterteinperatur aufheizt. Kleinere Rohlinge lassen sich im allgemeinen schneller als ^röi'ere erwärmen. Eine Erwärmungsregime, daß sich für gegenstände eis zu einer Größe von S-cm-ifurfeln mit bspw. Polyätiiylenö-lycoiaistesret als organischem Bindemittel als geeignet erväesen hat, ist folgendes:

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Schritt, 1: von Räumteaiperatur auf 2oo°C mit etwa 43°0 pro Stunde Schritt 2: von 25o°C bis 4oo°C mit etwa 7|5°C! pro"* Stunde;" Schritt 3: von 4oo C zur Ansintertemperatur mit etv»a 1oo 0 pro Stunde.

Dieses programmierte Erwärmen erfolgt unter einer Schutzatmosphäre bspw. von Wasserstoff-Argon, Sauerstoff, "Wasserstoff Stickstoff, Fasserstoff, dissosierteüi Ammoniak oder anderen ■ neutralen oder reduzierenden Atmosphären, wie sie.aus der Pulvermetallurgie Dekanat sind, um ein Oxidieren' der __~eLallte lichen zu verhindern.

Erwärmt man den geformten Rohling auf eine xe^peratur von mehr als etwa 1o2o C, wenn man Aluminiumoxid als te^oeraturfestes nichtreagierendes tragendes Material verwendet, _kann u.U. ein Teil des Aluminiumoxids ain Rohling haften, v.'ill man also eine Ansintertemperatur von mehr als 1o2o C verwenden, kann man das Ansinteicn bei 1o2o°C unterbrechen und den resultierenden zusammenhängenden, dann handhabungsiähigen Gegenstand.kühlen und aus dem Aluminiumoxidbett herausnehmen. Dann entfernt man das an ihm haftende Aluminiumoxid vorsichtig und erwärmt schließlich den Gegenstand auf die erwünschte end_&ülxi_&e Ansintertemperatur, ohne dai3 weiteres Z,&._oeTn in dein teiioeraturfesten nichtreagierenden pulver erforaerli'cn ist. Verwendet man Ansinterxemperaturen von weni_&er als 1o2o°C, Ίζζχιώ. ,.,ai an

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der Oberfläche haftendes Lagermaterial durch vorsichtiges Abbürsten mit einem Kamelhaarpinsel entfernen." ^r.

Um ein vollständiges Ausfüllen des Zwiscnenrau^voluiuens su gewährleisten, wenn man eine das oerechnete porenvolumen übersteigende Au-ffüllmetallmasse verwendet, er_oibt sich oft ein :übermäßiges Benetzen des Skeletts und Ans Su^uIUrL₀ eil des Auffüllniaterials auf der Außenfläche des je^ens-candes,' d.h. ein

"Blühen". Hält man ein übermäßiges Benetzen de.s-Skeletts gering, indem man etwas weniger Auffüllmaterial verwendet, als zum'vollständigen Auffüllen der Zwischenräume i:;i I-.et^lIsirlett erforderlich ist, verbleiben nicht ausgefüllte Hohlräume im fertigen Verbundkörper, die seine mechanische festigkeit und die'Gleichmäßigkeit seiner elektrischen und physikalischen Eigenschaften beeinträchtigen. ' __- .- '

Das'Oberflächenblühen läßt sich nach der vorliegenden Erfindung reduzieren bzw. verhindern, indem man die Außenfläche des angesinterten Metallskeletts mit einer dünnen Schicht Zirconoxidpulver überzieht - bspw. eine-Suspension von Zirconoxidpulver in einem leicht verdampfenden bzw. sich verflüchtigenden Träger wie Aceton auf das A'uüere des i-Ietallskeletts leicht aufsprüht» Dieser ZirconoxidpulverüDerzug verhindert Ansammlungen des Auffüllmittels ?n der Gberfläcihe und erlaubt die Verwendung einer Kasse des Auffüll^etalls, die über die

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hinausgeht, üe erforderlich ist, um die Zwischenräume des I-Ietallskeletts auszufüllen, ohne daß dabei der Körper blüht (oder unausgefüllte Hohlräume beibehält). Sine Berührung zwischen denjenigen Aui3enb er eichen des Skeletts, wo das Infiltrieren sich abspielen soll - bspw» die G-rundflache - und des Zirconoxidpulvers muß sorgfältig vermieden werden, indem man diese Bereiche bspw. mit Abdeckband abdeckt. Den Schritt des Überziehens mit Zirconoxid kann man wahlweise verwenden .oder auch fortfallen lassen, wenn ein gewisses AusiuaiS des Slühens an'der Oberfläche erwünscht ist - bspw. zur Herstellung eines Pormgegenstandes, der aussieht, als sei er vom Auffüllmetall vollständig frei wie bspw. ein De>orgegenstand mit einem Metallskelett aus einer Cobaltlegierung, das man'.mif Silber oder einer Silberlegierung auffüllt.

Das poröse Metallskelett (vorzugsweise mit Zirconoxid behandelt, wie oben beschrieben), wird mit einem Metall bzw. einer Legierung aufgefüllt, das bzw. die bei einer '.Temperatur unter dem SOhmelzpunkt des sphärischen Metallteilchen schmilzt, aus -denen das Mejallskelett besteht, und vorzugsweise die unten diskutierten Eigenschaften hat. Überraschenderweise kann man ohne wesentliche AbmessurLgsänderungen-^auffüllen, wenn man als Auffüllmittel ein I-ietall verwendet, dessen Schmelzpunkt bereits 25°K niedriger als der Schmelzpunkt des

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niedrigstschmelzenden Skeletteilchen liegt. Drückt man den

Schmelzpunkt MP. des Auffüllmetalls und den SchmelzOunkt '»■

ι ^ "sp -

des Metalls* aus dem die sphärischen 'leuchen bestehen, in Kelvingraden aus, kann man bereits mit so hohen Verhältnissen

MPj/MP · wie o,93 arbeiten, wobei ein-¥ert von o,95 oder ι sp · ·

weniger bevorzugt ist. Bei abnehmendem Verhältnis nehmen auch die Abmessungsänderungen ab, was bedeutet, daS die untere Grenze für das Verhältnis des Schmelzpunktes des Auffüllmetalls zum Schmelzpunkt- des Skelettmetails von dem erwünschten Eigenschaften der fertigen infiltrierten G-egenstände bestimmt wird.

Auffüllmittel mit den unten diskutierten bevorzugten Eigenschaften haben im allgemeinen Schmelzpunkte von mehr als etwa 7oo C, so daß die untere Grenze des Schmelzpunkt'verhältnisses etwa o,5 ist; ein Wert von o,6 ist bevorzugt. .·'

Das Infiltrieren bzw. Auffüllen des Metallskeletts erfolgt gleichmäßig durch Kapillarwirkung ohne auf das Auffüllmetall aufgebrachten Druck und ohne die Bildung lokalisierter Ansammlungen des Auffüllmaterials im nichttemperaturfesten Skelett. Das nichttemperaturfeste Metallskelett läßt sich auf einem Bett aus temperaturfestem nichtreagierendeu Pulver lagern, das so angeordnet ist, daß das feste Auffüllmaterial, das in Form eines Pulvers, Schrot oder Stangen vorliegen kann, das Metallskelett nicht unmittelbar berührt. Beim Schmelzen des

309814/0932

Auffüllmetalls fließt es unter der Einwirkung der Schwerkraft zu denjenigen Bereich des Metallskeletts, durch den es in das Skelett einfiltern soll (bspw. die Grundfläche), "berührt im flüssigen Zustand das Skelett und dringt durch Kapillarwirkung in das Skelett .ein. Eine unmittelbare Berührung zwischen dem festen .Auffüllmaterial und dem Metallskelett kann während des Aufheizens zu einer Bindung des einen mit dem anderen führen. Zusätzlich verursachen die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. der Sintergeschwindigkeit zwischen dem Auffüllmetall und dem Skelett Spannungen und möglicherweise Risse in dessen Grundfläche. Aus diesen Gründen ist bevorzugt, daß das feste Auffüllmaterial und das Metallskelett einander nicht berühren. Da das Auffüllmaterial gleichmäßig durch den nichttemperaturfesten Skelettkörper verteilt wird, erhält man gleichmäßige Festigkeit und annehmbare elektrische Eigenschaften, wobei der fertige aufgefüllte Gegenstand infolge der Unterschiede zwischen den oben erwähnten Ausdehnungskoeffizienten nur minimal verzerrt wird.

Das ..Auffüllmetall wird nach der endgültigen Anwendung des fertigen Teils gewählt. Ist eine Elektrode für die elektrische Funkenerosionsbearbeitung gewünscht, kann man Auffüllmetalle mit guter elektrischer Leitfähigkeit - tqw. Kupfer, Silber und deren legierungen - einsetzen. Soll der fertige Gegenstand härter oder fester sein - bspw'. für tragende Bauteile,

9 098U/0112

formen oder Gesenkeι können sowohl das Auffülltetall als auch die sphärischen Metallteilchen aus härtbaren Legierungen bestehen, die man weiterbehandelt, um die Härte und Festigkeit des fertigen Gegenstands zu verbessern. Auch noch andere Metalle und Legierungen, deren Schmelzpunkt unter dem des nichttemperaturfesten Skeletts liegt, lassen sich als Auffüll-.metall verwenden»

Das Auffüllmaterial wählt man vorzugsweise aus denjenigen Metallen aus, in denen das Skelettmetall im wesentlichen unlöslich ist. Erhebliche Äbmessungsänderungen und Verzerrungen würden auftreten, wenn das Auffüllmetall das Skelettmetall wesentlich löst» Ein wesantlich.es lösen des Skelettmetalls im Auffüllmetall läßt sich minimieren, indem man- ein Auffüllmetall verwendet, das bereits mit dem Metall gesättigt wurde, aus dem die Skeletteilchen hergestellt wurden, wie oben erwähnt, kann man das In-Lösung-gehen auch gering halten, indem man das Metallskelett durch eine Grundfläche hindurch auffüllt. Zusätzlich sollte das .geschmal zene Auffüllmetall das nichttemperaturfeste Skelettmetall benetzen,- damit es infolge d&r Kapillarwirkung eindringt. Übersehü&siges Auffüllmetall- - · bspw. bis zu etwa 25 ⁰A mehr als das berechnete Gesamtporenvalumen - läßt sich verwenden, wenn man das Äußere des Metallskeletts vor dem Auffüllen mit Z^rconoxidpulver überzogen hat.

Ö098U/09S2

Die Vorhaltzeit auf der Auffülltemperatur und die Auffülltemperatur selbst hängen von der Größe, den Benetzungseigenschaften und der Porengröße des Metallskeletts ab. Bei einer geringfügig über dem Schmelzpunkt des Auffüllmaterials

liegenden Temperatur reichen 3o Minuten aus, um ein Würfelet

förmiges Skelett mit einem Volumen bis 13o cm aufzufüllen.

Hach dem Auffüllen wird der Gegenstand gekühlt und der äußere Zirconoxidüberzug entfernt - bspw. durch Glasstrahlen in einem Glasstrahlapparat (Smpire Abrasive Equipment Corp. Modell S-2o) bei einem Druck von 1,4 bis 2,8 kg/cm⁵ durch eine Strahlöffnung mit 8 mm Durchmesser. Verwendet man ein ausscheidungshärtbares Auffüllmetall - bspw. mit Nickel (15 %) und Zinn (7 %) legiertes Kupfer - oder ist das Metallskelett härtbar, kann man den aufgefüllten Gegenstand einer Ausscheidungsbehandlung bei niedriger Temperatur unterziehen, um seine Härte und/oder Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Zuletzt wird überschüssiges Auffüllmaterial oder die nun überflüssige Grundfläche vom geformten Verbundkörper bzw. der Arbeitsfläche entfernt bzw, abgearbeitet, so daß man den fertigen aufgefüllten geformten Metallgegenstand erhält.

Die Tabelle.I listet repräsentative Systeme von sphärischen Metallteilchen und Auffüllmaterialien auf. Auch die Schmelzpunkte in Kelvingraden und das Verhältnis der Schmelzpunkte

Ö09S U/0112

- 3ο -

sind jeweils angegeben.

Die labeile II entnält die Elementzusammensetzungen der Metalle der Tabelle I.

"Γ

ο co as

00

Sphärische	•	MPsp(°K) -	Auffüllmaterial	"' ■■ ■·":.;. . ■. ...	1o33	MP1ZMP85 (+)	ro
Metallteilchen		1535				0.88	OO
Typ	1533	■ Typ MP-	(0K) ■-·■■	ies Auffülliiiaterials	0.87	4^ K)
»Vertx» Go-6	1533	Kupfer	1356..		0.75	O
»Vertx» Go-6	15o3	Phosphor bronze *	1333 ·■-' ■		o.7o	N)
»Vertx" Go-6		Berylliumkupfer	1144			0)
»Steinte» 1		Silber-72 %	1o52
		Kupfer-28 #
»Steinte» 1·	15o3				o.9o
»Vertx» Go-6	15o3			0.82
(z,gleich.Teilen)	1403	Kupfer	1356 ·	o,95
»Steinte» 1		Silber	1233
»Stellitje» 157	1553	Ni - 5 °/o Ve - 5 %	1333	0.77
		Mn - 5 % Cu - Rest
»Steinte» 21	1755	Gold - 78 rf	12o1	0.77
		platin - 22 ;ό
niqhtr·Stahl	14o3	Kupfer	1356
A.I.S.I 41 ο				0.74
»Steinte» 92		Kupfer - 7o rf Zinn-3o rf
			0.57
		1o33
	das Verhältnis	Kupfer - 7o rf Zinn-3o rf	zum minimalen
	jlielzpunkt l"iPs
( ) itiP. /IiP,, is"|;
		des Schpielzpunktes MP. c
		Jl der sphärischen Teilchen

Ul

Tabelle II

Art der

sphärischen

Metallteilchen Zusammensetzung (Gew. -%)

Cr

Si

Fe Co

B Cu P

Be andere

O CO OO

■ »Vertx»· θο-6 "Stellite» "Steinte" »Stellite»

nichtr.Stahl A.I.S.I.

"Stellite» Phosphorbronze B e r y 11 iuiukup f e r

29 1,1 0.94 0,12 ■ 3o 2,5

21 o,o7 1.6.

27 0,25 12.32 o.o2o o.33

1.5 3.75 1o,

2.9 0,81 Rest 4.o5

3.0 3.0 » 1.2

·· 4.5 2.4

2.ö 2.0 » 7.5
0.13 Rest

Rest

0,2

Rest 0.3
Rest 1.9

1.O

2.ο

N) OO

O Nl CO

Die optische Untersuchung der Arbeitsfläche des fertigen Gegenstandes bei 15o-facher Vergrößerung zeigt eine kontinuierliches Grundmaterial aus im wesentlichen sphärischen Teilen oder miteinander verbundenen Kügelchen, die mit einer kontinuierlichen Phase" des Auffüllmaterials in Berührung stehen und von ihr umgeben werden». Es zeigt sich keinerlei Anzeichen einer Kalthärtung an der."Oberfläche - bspw. Störungen im Oberfiächenmetall, wie sie sich bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren ergeben.

Fig* 2 ist eine Darstellung eines metallurgisch, polierten Innenschnitts eines infiltrierten Gegenstandes nach der vorliegenden Erfindung bei 6oo-facher Vergrößerung. Ein kontinuierliches Grundmaterial 3 aus im wesentlichen sphärischen Metallteilchen 4 in einer Verteilung von Größen ist klar zu erkennen. Die kontinuierliche Phase des Auffüllmetalls 6, die das Skelett aus sphärischen Metallteilchen oder -kügelchen berührt und dieses durchdringt, ist mit Halsbildungen 7 zwischen den Teilchen zu sehen. Bei dieser Vergrößerung wird die Abweichung '8 von der Sphärizität bereits erkennbar. Diese? Abweichangen resultieren aus dem teilweisen lösen des Skelettmetalis in der Schmelze des Auffüllmetalls und sind charakteristisch für die infiltrierten Metallgegenstände nach der vorliegenden Erfindung. Dieses In-Iosunggehen bewirkt einen geringen Verlust an Sphärizität und erteilt den miteinander

909614/0882

verbundenen nichttemperaturfesten sphärischen Metallteilchen ein tropfenartiges erodiertes Aussehen.

Das oben beschriebene Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist in Pig. 1 gezeigt. Ein Musterstück 11, das so bearbeitet ist, daß die auftretende Schrumpfung kompensiert ist, wird mit einem flexiblen Abgußmaterial wie RTV-Silicongummi abgegossen (12), dann das Abgußmaterial nach einem geeigneten Verfahren abhängig von der elastischen Abgußmasse gehärtet und schließlich das Muster im Schritt 13 aus dem gehärteten ■ j festen gummi artigen Abguß H herausgenommen. Im ich t temperaturfestes sphärisches Metallpulver 16 (bspw. Vertx Qo-S) -auf Cobaltbasis mit der geeigneten Teilchengrößenverteilung wird mit einem thermoplastischen Bindemittel 17 (bspw. Paraffin oder einer Mischung aus einem thermoplastischen Material und einem wärmehärtenden Bindemittel) vermischt und im Schritt 13 erwärmt. Die resultierende Masse"kann man wahlweise zu einem Festgegenstand 21 kühlen lassen (19) und zu Pillenstaub 23 zermahlen (22), der erwärmt werden muß (24), bevor man die Pulver-Binder-Masse 26 in die erwärmte Form 27 gibt; man kann auch die erwärmte Pulver-3inder-Masse 26 aus dem Schritt 18 unmittelbar in die Jorm 27 geben (25). "Vor dem Füllen mit der erwärmten Kasse 26 wird die ?orm 14 auf eine geeignete Temperatur erwärmt (28). Die Form, und ihr Inhalt werden unter Unterdruck gesetzt und dabei geschüttelt (29), um

909814/0382

luftblasen zu entfernen und die Form 3o fest zu packen. Die vollständig gefüllte Form wird dann unter gleichmäßige Temperatur gehalten (31) und vor dem Kühlen 33 kurz geschüttelt (32). Durch Abziehen der Form unter Unterdruck (34) erhält man einen starren handhabungsfähigen geformten Rohling 35.

Den resultierenden geformten Rohling 35 packt, man in ein nichtreagierendes temperaturfestes Pulver und brennt ihn (37) programmgesteuert, um das thermoplastische Bindemittel abzutreiben und die Metallteilchen zu einem porösen Metallgegenstand 38 anzusintern. Den porösen Gegenstand unterwirft man einer Oberflächenbehandlung (39) und =.bringt ihn (41) in einen zum Auffüllen geeigneten Behälter ein, wo das Auffüllen mit bspw. Kupfer 44 stattfindet. Uach dem Abkühlen (43) kann man den resultierenden aufgefüllten Gegenstand 44 an der Sinfüllstelle abarbeiten, um Unregelmäßigkeiten (45) zu entfernen. «Nach dem Entfernen des geformten Rohlings aus der Form (35) kann man die flexible Form aufbereiten (14)» um einen weiteren Gegenstand mit ihr herstellen zu können.

Die aufgefüllten nichttemperaturfesten Metallgegenstände nach der vorliegenden Erfindung sind gleichmäßig dicht, zäh, schlagfest und im wesentlichen frei von Innen- und Oberflächenfehlern. Sie zeigen gleichmäßige physikalische, mechanische und elektrische Eigenschaften und es läßt sich eine Präzisions-

909814/0882

toleranz von besser als + 0,2 % an ihnen erreichen. Diese Gegenstände sind besonders gut brauchbar, wo zähe nichttemperaturfeste Gegenstände mit eng tolerierten Abmessungen erforderlich sind - bspw. Gegenstände mit komplizierter Gestalt und feindetaillierten Oberflächen wie Zahnersatz und Formen für das Druck- und Spritzgießen von Metallen und Kunststoffen.

Die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind weiter in den folgenden Beispielen erläutert, die den Umfang der Erfindung jedoch nicht einschränken sollen. Sofern nichts Anderes angegeben ist, sind alle Teile Gewichtsteile.

Beispiel I

1oo Teile einer sphärischen Metallpulvers aus Kobaltlegierung (Vertx Go-6 der Pa. Special Metals Corp.) in Teilchengrößen von weniger als 149 /um (-1oo mesh der US-Sieve-Reihe) wurden mit 3,5 Teilen Polyäthylenglycoldistearat ("Emerest" 2642, Schmelzpunkt 36⁰G) gemischt, die resultierende Metallpulver-Bindemittel-Mischung auf 66⁰O erwärmt und die resultierende plastische Masse in einen würfelförmigen Raum (5,o8 cm) einer auf 66⁰G erwärmten elastischen Form aus gehärtetem RTV-Siliconguinmi gegeben. Die Form wurde auf 3 Torr evakuiert und 1o min auf 66⁰G gehalten, dabei mit einem Jogger Modell J 5oA bei

909814/0382

einer Einstellung des Regelwiderstands auf 80 bis 9° gerüttelt. Die Form und ihr Inhalt wurden wieder unter Druck gesetzt und in einem Ofen 24 Std. auf 38⁰O vorgehalten. Nach dieser Wärmebehandlung wurde die Form erneut 5 min (bei einer Einstellung des Regelwiderstands von 40) gerüttelt und über eine Zeitspanne von 2 Std. auf Raumtemperatur abgekühlt. Die gekühlte Form und ihr Inhalt wurden in einen Entfeuchter mit wasserfreiem Calciumsulfat eingebracht und eine Stunde auf etwa 4⁰O gekühlt. Die gekühlte Form und ihr Inhalt wurden dann aus dem Entfeuchter herausgenommen und der Rohling unmittelbar unter Anwendung von Unterdruck aus der Form entnonimen. Der resultierende Rohling wurde in ein mit Aluminiumoxidpulver (Alcoa Α-loo) gefülltes Graphitschiffchen eingebracht und leicht gerüttelt, um das nichtreagierende temperaturfeste Pulver um den Rohling herum geringfügig zu verdichten, dann das Schiffchen mit Inhalt in eine Retorte in einem elektrischen, nockengesteuerten Lindbergofen eingesetzt und die Retorte dann langsam evakuiert, damit das Aluminiumoxidpulver nicht im Ofen verstreut wurde. Ein Unterdruck von etwa o,5 lorr reichte aus, um die reaktionsfähigen Gase größtenteils auszuziehen; danach wurde der Ofen schnell mit einer Atmosphäre aus Argon mit 5 Ά Wasserstoff rückgefüllt.Die Gasatmosphäre wurde während des Erwärmungsvorgangs mit einem Durchsatz von 85 Litern pro Stunde im Umlauf gehalten. Der Ofen wurde mit 43⁰G pro Stunde von Raumtemperatur auf 25o°0, mit 7,5°0/h von 25o bis 35o°0, mit 9Q98U/Q9S2

1oo°C/h von 35o auf 1ooo°G erwärmt und dann eine halbe Stunde auf 1ooo C gehalten, um den Binder zu zersetzen und zu entfernen und die sphärischen Me tall teilchen anzusintern. Danach, wurde der Erwärmschritt unterbrochen; das Schiffchen mit Inhalt ließ man sich unter ständigen Schutzgasströmung im Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Der angesinterte Skelettgegenstand wurde aus dem Aluminiumoxidbett entfernt und das an seiner Oberfläche haftende Aluminiumoxid mit einem Kamelhaarpinsel leicht -abgewischt, dann auf die Oberfläche des Gegenstandes eine Aerosolsuspension auf log Zirconoxidpulver (etwa 1 bis 5/um Durchmesser) in 1oo ml Aceton aufgesprüht. Bei ,dem Skelettgegenstand handelte es sich um einen Würfel; etwa o,5 cm des an eine Fläche bzw. Grundfläche angrenzenden Teils der vier Flächen wurde mit Abdeckband beklebt, der offenliegende Rest der fünf Flächen mit der Aerosolsuspension besprüht. Die Grundfläche wurde nicht abgedeckt, v/eil sie vom.-.Zirconoxidnebel abgewendet lag und daher nicht geschützt zu werden brauchte. Nach dem Abziehen des Abdeckbandes wurde der r.ohe Skelettkörper an die unterste Stelle eines geneigten Aluminiumoxidbetts in einem Graphitschiffchen gesetzt. Kupferpulver (Typ R-64 der Fa. Gould, -1oo mesh) wurde so auf das Aluininiuinoxidbett aufgebracht, daß es beim Schmelzen unter dem Einfluß der S chwerkraft abwärts zu dem nicht mit 2irconoxidpulver bedeckten Teil des Skelettkörpers fließen, dieses berühren und durch die nichtbesprühte Außenfläche in ihn eindringen konnte.

Das Schiffchen mit Inhalt wurde in einem molybdängewickelten Elektroofen eingesetzt, dieser auf o,o5 Torr evakuiert und mit Viasserstoff rückgefüllt. Eine Wasserstoff strömung von 141 Litern pro Stunde wurde aufrechterhalten, während die Temperatur vom Raumtemperatur auf 1100 G über einen Zeitraum von zwei Stunden erhöht und dann eine halbe Stunde auf 1100⁰O vorgehalten wurde. Nach dem Auffüllen wurde der resultierende aufgefüllte Gegenstand abgekühlt und durch Strahlen mit Glasperlen von weniger als 44/um Durchmesser (-325 mesh) durch eine 8-mm-Öffnung mit 1,4 "bis 2,8 kg/cm Druck der Zirconoxidüberzug entfernt. Der gestrahlte Körper wurde d'ann geschnitten, metallographisch poliert und mit 5o- und 75o-facher Vergrößerung untersucht. Das Erscheinungsbild war homogen, zeigte eine Halsbildung zwischen aneinandergrenzenden gesinterten sphärischen Teilchen und war frei von internen Rissen, groben Poren oder anderen Diskontinuitäten. Die Fig. 2 stellt die Erscheinungsform des Gegenstandes dar.

Beispiele 2-17

Eine Anzahl von Versuchen (Beispiele 2-17) wurde nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren durchgeführt, um andere infiltrierte Gegenstände nach der vorliegenden Erfindung herzustellen; diese Versuche sind in der Tabelle III aufgelistet. In jedem dieser weiteren Versuche wurden jeweils 9Q98U/0992

- 4ο -

1οο Teile sphärisches Metallpulver zur Herstellung von Schlagprüfbarren einer Größe von 5,08 cm verwendet. Yfo Ansintertemperaturen von mehr als 1o2o°0 eingesetzt wurden, wurde der geformte Rohling programmiert auf etwa 1o2o°C erwärmt, abgekühlt aus dem nichtreagierenden temperaturfesten lager genommen und dann erneut auf die angegebene Ansintertemperatur erwärmt. 3ei den Auffüllmaterialien in Form geschnittenen Blechs handelt es sich um handelsübliches Metall, während es sich bei den geschnittenen Platten um im Labor hergestellte Metalle handelte Die Resultate der metallurgischen Bestimmung der Rockwell-C- und der Rockwell-B-Härten sind ebenso wie die Gharpy-Schlagzähigkeit sprüfungen an gekerbten und ungekerbten Proben ebenfalls in der Tabelle III zusammengefaßt. Die Rockwell-B- und -C-Härtemessungen erfolgten nach der ASTM-Norm E18-74, die Schlagzähigkeitsmessungen nach der ASTM-Horm E23-72. Es wurden in letzteren Einfachträger-Schlagproben des T.yps A verwendet, die auf Qüerschnittsabmessungen von 1o,1 + 0,08 mm (o,399 + o,oo3 in.) abgeändert worden waren. Die Proben, für die eine ungekerbte Schlagzähigkeit angegeben ist, waren nicht gekerbt.

In den Beispielen 9 und 1o der- Tabelle III zeigten sich keine Innenfehler auf Bruchflächen oder auf metallographisch polierten Schnitten der 131-cm -Würfel. Dieses Ergebnis beruht teilweise auf der gleichmäßigen Dichte der fertigen infiltrierten Gegenstände.

_: 9098U/0982

I¹ABEILE III

Bsp.
2

Sph.Metall'

Binder

Auf f ül liua t er i al

Typ

"Vertx» Co-6

Ansin-

Teilch,- ter-

größe temp.

<um _}; Typ Teile (0(j) Typ

149 »Emerest» 3.5 1.2oo Ou 2642

3?orm Pulver Auffülltemp,

Eigenseh.d.Prüflings

Rockwell- Charpy-Sehlag- »ö»-Härte Zähigkeit ^.

m.Kerbe o.Kerbe *Fujß-

— note

1120

24

0.34 2,o7

"Yertx" Oo-6

149 »Emerest» 3.5 124o Gu 2642

Pulver 112o

26

ο.62 2.21

»Vertx» CO-6

44 »Emerest» 4.67 125o Ou Pulver 1125 2642

5.5

»Vertx» Co-6 ^:

44 "Eiaertest»4.67 11oo Ni-1 .Vy» ^eschn. 11oo 2642 P -o.3>'o Blech

Cu-ltest 24

»Yertx» Co-6

44 »Emerest» 4.67 11 Do Jöe-1.9>ό gesclin, 11oo 2642 αο-ο.2^ό Blech

Cu-Reat 25

»Vertx» Co-6

44 »Emerest» 4.67 113o Ni-1 !?>■(! ^esclm. 11oo 2642 Gn- 7ii Platte

3o

0.26

ro

O NJ CD

¹LLti III (i'orts.)

	Bsp.	9	,Snh	Typ	.hetall	Binder	4.67	4.61	Ansin ter te mp . (0O)	Aufiiillmaterial	D'orw	AurriUi- temp.	Eisens cii.d.	Prüflings	.kerb«	M
	3	1o	»Vertx» Co-6	Teilch. <. um	Typ Teile	4.67	4. 61	■ 1160	Typ	gesehn Platte	. I079	Kockwell- "C»-Härte	öliarpy-ßc zäiii^keit in.Kerbe 0	—
	11	»Vertx» 0o-6	44	"Emerest» 2642	"Epon»828 1.o plus Catalysator; Butyl- stearat 4.0	4.67		Su - 1o>i Ni - Ιογό Ou -xteat	Pulver	1100	31	—	—	3
co O cn	12	»Vertx»	44	Paraffin	»Emerest» 2642		1100	Ou	Pulver	mo	—	—		3
8U/098	13	»Stellite»	44	"Emerest» 2642		1130	Ou	Platte	988			— -.	4
PO		»Übellite»	44	2642	1000	Cu - 2β<;ύ	Barren	1125	29	—	—	5
	i-iisciiuntj aus til. Teilen »3tellite» und »Vertx" üo-6	44		1140	A.	Pulver	1100	33	0.I0	2. β OO K) O σ>
		44 44		Ou			32

I¹ABKLLEIIl (ji'orts.)

Sph.hetall

Binder Auffüllmaterial

Miff ens cli .,d. Prü f-1 ing s

I¹YP _

nichtr. St aiii gem.

A.I.S.I. Typ

Teilch.-größe

Typ

Ans.in-

ter-

temp.

Teile Auffüll- Rockwell- Charpy-Schlag-■temp. ' "G"-Härte Zähigkeit -Fulß-(⁰O) . , m.Kerbe o.Kerbe nofte

Typ Form

44 "Bimerest" 5.35 2642

1o?o

Cu Pulver 11 oo

1.1

"Stellite" 157

44 "Emerest" 4.6? 2642 oo Wi - 5>"ύ geschu. 11oo
Fe - i?>ü Platte
l-.in - 5/ά
Ou -Reut

»3tellite»1 44 "Emerest" 4.61

2642

114o Wi -1!?>o geachn. On - 7>o Platte Ou -keüt 4o

1.38

"Stellite" 92

44 »^merest" 3.37 2642

I000 Sn -3ϋ>ό geschri. 9oo Ou -Rest Platte 0.21

Fuß no

irumpfung ο,54 ya vom geformten Rohling zum aufgefüllten Verbundkörper.

irumpfung

vom geformten

en Rohling zum aufgefüllten Verbundkörper.

diesem Beispiel wurde ein Würfel mit 131 cur Volumen hergestellt, irumpfung o,25 yo vom angesinterten Metallskelett zum aufgefüllten Verbundkörper, irumpfung o,32 y& vom angesinterten Metallskelett zum aufgefüllten Verbundkörper, lruiiipfunö o,4o ^:/o vom geformten Rohling zum auf gefüll ten Verbundkörper.

Z842026

Beispiel 18

flach dem Yerfaliren des Beispiels 1 wurde ein Auspreßdorn zum Auspressen von Kunststoff hergestellt. Dieser Dom hatte einen Durchmesser von etwa 3,2 mm (1/8 in.) und diente zur Herstellung eines Zentrallochs in der Achse eines zylindrischen Kunststoffteils von etwa 12,7 mm (1/2 in.) mit einem Außendurchmesser von 8,13 mm (o,32 in.). Dabei wurde ein sphärisches Metallpulver aus der Legierung Stellite Hr. 1 (weniger als 44/Uia) mit 4,61 Teilen des thermoplastischen organischen Bindemittels Emerest 2642 gemischt und der geformte Dornrohling 45 min bei 1122⁰G angesintert. Bei 112o°G wurde das Dornskelett dann mit einer Kupferlegierung mit 15 /ί Fiekel und 7 % Zinn über 45 min aufgefüllt.

Der aufgefüllte Dorn" wurde auf die Abmessungen abgearbeitet, die ein Einpressen in den beweglichen Seil einer zweiteiligen Spritzform erlaubte. Das Einpassen des Dorn in den ortsfesten Teil der Spritaform wurde durch Abschleifen der Dornspitze gewährleistet. Nach dem Einsetzen des Dorns in den beweglichen Formteil wurde die gesamte Form in eine Schnecken-Spritzgußmaschine (Fa. VanDorn, 58.ooo kg) mit einer Spritzkapazität von 156 g (5-1/2 οz.) "Polymerisatmaterial mit der Dichte von Polystyrol eingesetzt. Dann wurden 12o Spritzguß-Kunststoffteile aus Polystyrol hergestellt. Jeder Kunststoffteil wurde

909814/0982

- 45 -

vom Dorn abgezogen und aus der ?orni ausgeworfen, während

dieses sich öffnete. Eine Tubustemperatur von 193⁰C wurde

6 9 bei einem maximalen Spritzdruck von 14,1 x 1o kg/m

(20.000 psi). verwendet. Die Kunststoffteile wiesen keinen Gußgrat auf; das Loch war also bei bündig am festen Formteil anliegenden Dorn vollständig abgeschlossen. Am Dorn traten weder Druckmarken noch Risse oder Verschleißerscheinungen auf; daran erwiesen sich seine gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften.

ι Beispiel 19

Sphärisches Metallpulver aus Stellite 21 einer Teilchengröße von weniger als 53/um (-27o mesh) diente zur Herstellung eines Parallendmaßes nach dem Verfahren des Beispiels 1. Fach dem Ansintern bei 1ooo°0 wurde das Skelett mit Zirconoxidpulver in Aceton besprüht und' der überzogene Block dann in Berührung mit B-Einlege-Zahngold aus 76 % Gold, 14,3 % Silber, 7,5 % Kupfer, 2 % Palladium, Rest Indium, gebracht. Durch halbstündiges Vorhalten bei 1ooo°C in einer Wasserstoff atmosphäre drang das Einlegegold in das Metallpulverskelett ein·. Das Skelett verzerrte sich dabei nicht; gegenüber dem Musterstück zeigte der Block im Mittel eine Schrumpfung von o,79 %. Die Rockwell-B-Härte war im Mittel

9098U/0982

Beispiel 2o J

2oo g sphärisches Metallpulver auf Gobaltbasis mit einer Teilchengröße von weniger als 44/um (-325 mesh; Vertx Co-6) wurden 5 min mit 2,ο g wärmehärtendem Harz (Ξροη 828).vermischt, dann o,5 g Härtekatalysator (Typ F-Ί der Fa. Shell Oil Go.) für das Epoxyharz zugegeben und etwa 2 min eingemischt. Schließlich wurden 8,ο g Butylstearat zugegeben, um nach fünf weiteren Mischminuten der Masse eine kittartige Konsistenz zu erteilen. Diese Mischung wurde in eine Rüttelform auf 66⁰C gegeben, unter 1 'Torr Unterdruck entlüftet und dann wieder auf den Umgebungsdruck gebracht. Der Gegenstand wurde dann eine halbe Stunde auf 66⁰G vorgehalten, um das wärmehärtende Harz zu härten und dem Formling Steife zu erteilen. Der Gegenstand wurde entformt, in ein Aluminiumoxidbett gepackt und in einer ArgomatmoSphäre mit 5 % Wasserstoff wie im Beispiel 1 auf 1o1o°C erwärmt. Der angesinterte Gegenstand in Form eines 5o,8-mm-Würfels (2 in.) wurde mit einer Aerosolsuspension von Zirkonoxid besprüht und mit Kupfer bei 111o°G über 45 min aufgefüllt.

3eispiel 21

Ein Druckgußgesenk in Form, eines gezackten Knaufs mit einem Durchmesser von 12,7 mm (1/2 in.) in einer Länge von 12,7 mm

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(1/2 in.) wurde nacia dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt. Hierzu diente als Vorlage ein gezackter Knauf; die Umkehr erfolgte mit 2-Komponenten-Gußmaterial des Typs Garbalon 122G. Die einzelnen Komponenten des Gußmaterials wurden auf 1o°C (5o F) gekühlt und 5 min unter einem Unterdruck von etwa 3o Torr entlüftet. Die beiden Komponenten wurden zu gleichen Teilen vermischt und auf das Muster in einem geeigneten Behälter gegossen. Das Gußmaterial auf dem Muster wurde etwa eine Hinute unter dem gleichen Unterdruck entlüftet und etwa eine Stunde bei 1o°0 (5O⁰I?) gehärtet, dann das Muster aus dem Abguß herausgenommen und dieser weitere 25 Std. bei Raumtemperatur gehärtet. Der so hergestellte Abguß ist eine genaue legativkopie des Musters.

Der Druckguß-Formhohlraum wurde nun nach dem Verfahren des Beispiels 1 mit einer Cobaltlegierung Stellite Nr. 1 bei weniger als 44 /um Teilchengröße (-325 mesh) und 4»61 Teilen Emerest 2642 nachgebildet. Der geformte Roh-Formhohlraum wurde bei 113o°C angesintert und das resultierende Metallskelett mit einer Kupferlegierung mit 15 >i Nickel und 7 % Zinn auf- . gefüllt, und zwar in einer Wasserstoffatmosphäre für eine Dauer von 45 min bei einer Auffülltemperatur von 111o°C. In einem Luftofen auf eine Temperatur von 5oo°C erwärmtes Zinn' wurde in die Gußform gegossen, verfestigen lassen und das Gußstück aus der Form herausgenommen. Zwischen dem Zink und

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der Innenwaad der Gußform ließ sich, keine Reaktion wahrnehmen.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Grei'ür:iiter nomo^ener iuono Ii "chi scher Kexallöe^enstand, äer auiü _&rui'&ren ieil aus einer ersten kontinuierlichen Phase aus ..ex all χ s ilen en, die an inren anein-anaer^rensenden Berührung spuriiiten in loxia eines Sicelexxs i.iexalluxg,iscii einteilig sind, ulic einer zweiten kontinuierlichen 1-Ietallphase besteht, der aas nichx toü Skelett oele^xe Vüluaien des öegenstandes einniLL.:x, dadurch gekennzeichnet, d&i die ersxe kontinuierliche Pnase sphärische i'eilchen aus einem nichttemperaturfesxen Ile-call- aufweist, bei 3etrachxun^.unter dem Licht&ikroskop eine RaI soil dung zwischen den _&röiSten aneinanderörenzehden x'eilchen der ersten Phase wahrnehmbar ist, und daß die zweite kontinuierliche Pnase einen Schmelzpunkt hat, der mindestens 25^υΛ niedriger als dex" Scnaelzpunkt der hiedrigstschiuelaenden sphirischen nichtteiaperaturfesten Teilchen lie^,t.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch ^kennzeichnet, αεϊϊ die sphärischen nichttemperauurfesten i-.etallteilchen in einer

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Durchiiiesserverteilung im 3ereieh von etwa 1 bis 2oo ,um vorliegen.

3. Gegenstand nach. Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die nichtteraperaturf esten sphärischen Me tall teilchen einen Durchmesser von weniger als 4-5 /um haben.

4. Gegenstand n&ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste kontinuierliche Phase I-Ietall aus der "aus Cobalt, liser., Nickel und Legierungen mit einem oder mehreren der "."exalle OooalT, Eisen und irickel bestehenden Gruppe aufweist.

5. Gegenstand nach Anspruch 1, weixer gekennzeichnet dadurch, äii· die zweite konxinuierliche phase He tall aus der aus !lupfer, Silber, Gold und Legierungen mit ein'ein oder mehreren der I-lexalle ICupfer, Silber und Gold bestehenden Gruppe aufweist.

6. Verfahren zur Ausbildung eines geformten monolithischen infiltrierten nichttemperaturfesten Gegenstandes aus einem geformten Körper aus einer Mischung nicirttemperaturfester sphärischer izetallteilchen, die an ihren aneinandergrenzenden Berührungspunkten in ?orm eines Skeletts metallurgisch einteilig sind, und einer zweiten kontinuierlichen Phase ·· aus He tall, dadurch ,gekennzeichnet, daß man im Kombination

eine His Chung aus niclittemperaturf estern sphärischem metallpulver jnit einem flüchtigen organischen Bindekittel aus einem thermoplastischen Stoff über den Erweichungspunkt dieses Bindemittels erwärmt, die resultierende plastische

Masse in einer erwärmten biegsamen Form zu einem im wesentlichen hohlraumfreien geformten kohkörper mit der Gestalt und Größe der Form ausformt, den resultierenden geformten Rohlingin, einem nichtreagierenden temperaturfesten Pulver lagert, 'den geformten Rohkörper erwärmt, um αε-s organische Bindemittel auszutreiben und das nichtteüiperaturf este sphärische .metallpulver zu einem zusammenhängenden mcnolithisarien I-.ets.ilskelett snzusintern, und das resülTierende üi

i'Ietallskelett abkühlt und mit einem zweiten !--etall, dessen Schmelzpunkt mindestens 25 K niedriger als der Schmelzpunkt des niedrigstschmelzenden sphärischen I-Ietallpulvers ist, zu einem infiltrierten geformten Metallgegenstand auffüllt.

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